Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

112.1 J. P. J OULE konnte zeigen, dass durch Verwirbeln mit einem Rührwerk Wasser er- wärmt wird. F 112.2 Temperaturerhöhung an der Fahrrad- pumpe: Warum wird die Pumpe warm, wovon hängt die Temperaturerhöhung ab? System W > 0 W < 0 Q > 0 Q < 0 Arbeit am System Arbeit vom System Wärmezufuhr Wärmeabgabe 112.3 Vorzeichenregel für den 1. Hauptsatz 112 ENERGIE Arbeit und Wärme – zwei Arten, um Energie zu übertragen In der Mechanik haben wir die Arbeit , das Produkt Kraft mal Weg, als Energie- übertragung kennen gelernt. Sie kann sowohl die kinetische als auch die poten- zielle Energie eines offenen Systems verändern. Selbstverständlich können wir auch die innere Energie durch Arbeit verändern. Wenn wir etwa einen Fahrradschlauch aufpumpen, dann werden die Pumpe und die Luft in ihr warm, die innere Energie U erhöht sich ( 112.2 ). Ebenso erwärmen sich die Fahrzeugbremsen durch Reibungsarbeit der Bremsbacken, auch ihre inne- re Energie U erhöht sich. Die innere Energie eines Körpers können wir auch erhöhen, indem wir ihn in Kon- takt mit einem heißeren Körper bringen. Es wird dann Wärme Q = c ·m· ∆ T über- tragen. Wie dieser Zustand aus einem anderen Zustand hervorgegangen ist, hat keine Be- deutung – das System hat diesbezüglich kein Gedächtnis! Die innere Energie U eines Körpers kann sowohl durch Arbeit W (z. B. durch Rei- bung oder Kompressionsarbeit) als auch durch Wärme Q verändert werden. Man fasst dies im so genannten 1. Hauptsatz der Wärmelehre zusammen: 1. Hauptsatz der Wärmelehre Die innere Energie eines Körpers kann durch Arbeit W und durch Wärme Q geändert werden. ∆ U = W + Q . Als Vorzeichenregel für den ersten Hauptsatz gilt ( 112.3 ): Die einem System durch Arbeit oder Wärme zugeführte Energie ist positiv , sie erhöht die innere Energie. Die vom System als Arbeit oder Wärme abgegebene Energie ist negativ , sie vermindert die innere Energie . Die innere Energie U ist eine sogenannte Zustandsgröße. Zusammen mit den an- deren Zustandsgrößen wie Stoffmenge, Volumen, Druck, Temperatur charakteri- siert sie den Zustand eines Körpers als thermodynamisches System. Untersuche, überlege, forsche: Zunahme der inneren Energie durch Reibungsarbeit 112.1 E 1 Erscheint es dir möglich, mit einem Handmixer Wasser zu erwärmen? Über- lege, wie du deine Vermutung experimentell mit Haushaltsgeräten überprü- fen kannst. Führe das Experiment durch und prüfe das Ergebnis auf Plausibili- tät. Welche Fehlerquellen vermutest du? Volumenarbeit bei Gasen und der 1. Hauptsatz – Nutzung von Energie Die innere Energie eines Systems kann, wie wir gesehen haben, durch Arbeit er- höht werden. Umgekehrt kann ein thermodynamisches System auch Arbeit ver- richten, indem es Maschinen antreibt. Dies ist die Grundlage der Wärmekraftma- schinen (z. B. Automotoren). Wie geht das? Eine simple Modellmaschine zeigt dies. Wir betrachten ein Gas in einem Zylinder mit einem beweglichen Kolben ( 113.1 ). Der Kolben trägt eine Last, wodurch das Gas auf den Druck p komprimiert ist. Er- wärmt man das Gas, dann dehnt es sich bei konstantem Druck aus. Der bewegliche Kolben soll sich dabei um die Strecke Δ x verschieben. Bezeichnet A die Kolben- fläche, so ist die Kraft auf den Kolben durch F = p · A gegeben. Die bei der Volumen- ausdehnung des Gases ( Expansion ) verrichtete Arbeit W ist das Produkt Kraft mal Weg, also W = −F · Δ x = −p · A · Δ x = −p · Δ V … Expansionsarbeit wobei Δ V = A · Δ x die Volumenzunahme des Gases ist. Das Vorzeichen der Arbeit ist negativ, da dem System Energie entzogen wird. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv